CN113027613A - 基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置 - Google Patents

基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置。所述装置包括：布置在进气道肩部的压力检测模块、智能控制器、电源控制系统及阵列式三电极等离子体合成射流激励器；智能控制器根据压力检测模块检测的信号产生控制信号，电源控制系统根据控制信号输出高压脉冲信号，在高压脉冲信号驱动下阵列式三电极等离子体合成射流激励器快速电离电极之间的气体，使该激励器腔体内的气体迅速升温增压，在出口处形成速度高达每秒百米以上的高能射流以及较强的前驱激波，迅速推离拐角处的激波，使溢流窗溢流量变大，并泄除分离区逆压梯度，实现超声速混压式进气道瞬时启动。本装置控制能力强，在超声速进气道流动控制领域具有重要应用价值。

Description

基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置
技术领域
本申请涉及超声速流动控制领域，特别是涉及一种基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置。
背景技术
在大气层内，若以火箭发动机为动力实现(高)超声速飞行，则自身必须携带全部的燃料与氧化剂，这必然大大增加了推进系统和飞行器的重量，导致推进性能降低。相比于火箭发动机，吸气式冲压发动机可以利用空气中的氧气，无需自身携带氧化剂，燃料比冲高，更适合作为(高)超声速飞行的动力装置。当飞行马赫数大于3时，传统的吸气式发动机(涡轮喷气式、涡轮风扇式等航空发动机类型)等已经无法满足总体对推进系统的要求，而亚/超燃冲压发动机成为了理想的选择。
超/高超声速进气道流场结构十分复杂，其中存在着强烈的激波/边界层干扰的现象，尤以唇口激波诱导机体侧边界层分离流动最为严重。在进气道流场中，来流经过飞行器前体压缩，与飞行器机体呈一定角度进入进气道内压缩通道，经过进气道唇口压缩产生一道强烈的唇口激波。由于进气道前体较长，导致唇口激波入射位置的边界层较厚，在高强度的唇口激波入射作用下，边界层会发生大尺度分离，边界层分离严重的情况下会使进气道内流道流动发生壅塞，出现不起动现象。进气道是气流经过发动机的第一个关卡，保证其在宽速域内具有强的启动能力对后续实现稳定燃烧、充足推力等具有极强的意义。
虽然在进气道启动装置方面已经有大量的研究，也取得了一定的成果，但是现有的进气道启动装置控制能力弱，结构复杂，难以实现一体化设计。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置，该装置将阵列式三电极等离子体合成射流激励器应用于超声速混压式进气道，并采用智能控制器实现对阵列激励器控制信号的最佳分配。
一种基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置，该装置包括：
压力检测模块，布置在进气道肩部，用于监测进气道肩部表面压力分布，得到压力信号；
智能控制器，包括微处理器，所述智能控制器用于接收并处理所述压力信号，并以控制能量最小为约束，产生控制信号；
电源控制系统，用于接收所述控制信号，在阵列式三电极等离子体合成射流激励器的三电极之间产生与所述控制信号对应的高压脉冲信号；
阵列式三电极等离子体合成射流激励器之间相互并联，并与所述电源控制系统的控制线相连；所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器用于在所述高压脉冲信号的驱动下，快速电离电极之间的气体，使得阵列式三电极等离子体合成射流激励器腔体内的气体迅速升温增压，在出口处形成速度高达每秒百米以上的高能射流以及较强的前驱激波，迅速推离拐角处的激波，使溢流窗溢流量变大，并泄除分离区逆压梯度，从而实现超声速混压式进气道瞬时启动。
在其中一个实施例中，所述压力检测模块包括多个压力传感器，多个所述压力传感器贴附于进气道肩部壁面上；多个所述压力传感器的输出端与所述智能控制器的输入端连接。
在其中一个实施例中，智能控制器，还用于根据所述压力信号，对进气道的启动状态、分离区位置以及激波/边界层干扰的程度进行实时辨识，并以最小控制能量为目标，利用得到的辨识结果对所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器的控制信号进行优化分配，实现进气道以最小能量瞬时启动。
在其中一个实施例中，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器的出口与进气道壁面垂直，出口截面形状为圆形、椭圆形、三角形、矩形、环形或者其它任意形状。
在其中一个实施例中，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器布置在第二压缩面处。
在其中一个实施例中，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器沿流向平行分布。
在其中一个实施例中，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器沿进气道展向可以布置任意多个。
在其中一个实施例中，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器出口喉道形状为收缩形式、扩张形式或收缩-扩张形式。
在其中一个实施例中，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器是零质量射流激励器，在工作过程中不用抽吸进气道流体，不会产生进气道流量损失。
在其中一个实施例中，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器仅需要通过单次放电便可实现进气道启动，单个激励器消耗能量小于20J，耗能极小且不需要持续工作，控制周期为毫秒量级。
上述基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置，所述装置包括：布置在进气道肩部的压力检测模块、智能控制器、电源控制系统以及阵列式三电极等离子体合成射流激励器；智能控制器根据压力检测模块检测的压力信号产生控制信号，并输入到电源控制系统中，电源控制系统输出高压脉冲信号，在高压脉冲信号的驱动下阵列式三电极等离子体合成射流激励器快速电离电极之间的气体，使得阵列式三电极等离子体合成射流激励器腔体内的气体迅速升温增压，在出口处形成速度高达每秒百米以上的高能射流以及较强的前驱激波，迅速推离拐角处的激波，使溢流窗溢流量变大，并泄除分离区逆压梯度，从而实现超声速混压式进气道瞬时启动。采用的三电极等离子体合成射流激励器既可以形成速度高达每秒百米以上的高能射流以及较强的前驱激波，可以兼具对受控流场动量/能量注入的涡控效果和前驱激波产生的波控效果，控制能力强。
附图说明
图1为一个实施例中基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置总体结构及激励器安装示意图；
图2为另一个实施例中等离子体合成射流激励器出口截面形状示意图；
图3为另一个实施例中阵列式三电极等离子体合成射流激励器展向、流向布置示意图；
图4为另一个实施例中等离子体合成射流激励器出口喉道形状示意图；
图5另一个实施例中采用数值方法仿真本发明的控制效果图；其中(a)为控制前未启动状态，(b)为控制后3.625ms启动状态。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置，该装置包括：压力检测模块100，布置在进气道肩部，用于监测进气道肩部表面压力分布，得到压力信号；压力检测模块100用于获取进气道的启动状态、分离区位置以及激波/边界层干扰的程度。
智能控制器101，包括微处理器，所述智能控制器用于接收并处理所述压力信号，并以能量最小为约束，产生控制信号。
电源控制系统102，用于接收控制信号，在阵列式三电极等离子体合成射流激励器103的三电极之间产生与控制信号对应的高压脉冲信号。
阵列式三电极等离子体合成射流激励器103之间相互并联，并与电源控制系统102的控制线相连；阵列式三电极等离子体合成射流激励器103用于在高压脉冲信号的驱动下，快速电离电极之间的气体，使得阵列式三电极等离子体合成射流激励器103腔体内的气体迅速升温增压，在出口处形成速度高达每秒百米以上的高能射流以及较强的前驱激波，迅速推离拐角处的激波，使溢流窗溢流量变大，并泄除分离区逆压梯度，从而实现超声速混压式进气道瞬时启动。
该启动的装置的核心部分是阵列式三电极等离子体合成射流激励器103。阵列式三电极等离子体合成射流激励器103可以兼具对受控流场动量/能量注入的涡控效果和前驱激波产生的波控效果，控制能力强；阵列式三电极等离子体合成射流激励器103体积小、质量轻，不需要任何气源管路，极易实现一体化设计，且对进气道流量没有任何损失；利用混压式进气道的迟滞效应，该装置可以使进气道在极短时间内实现启动，并可一直维持在启动状态，在超声速进气道流场调控领域具有重要的应用价值。
阵列式三电极等离子体合成射流激励器结构简单，方便进行一体化设计，一体化设计后，在外压缩段无任何凸起物，不会引起任何形状阻力以及热防护困难。
上述基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置中，所述装置包括：布置在进气道肩部的压力检测模块、智能控制器、电源控制系统以及阵列式三电极等离子体合成射流激励器；智能控制器根据压力检测模块检测的压力信号产生控制信号，并输入到电源控制系统中，电源控制系统输出高压脉冲信号，在高压脉冲信号的驱动下阵列式三电极等离子体合成射流激励器快速电离电极之间的气体，使得阵列式三电极等离子体合成射流激励器腔体内的气体迅速升温增压，在出口处形成速度高达每秒百米以上的高能射流以及较强的前驱激波，迅速推离拐角处的激波，使溢流窗溢流量变大，并泄除分离区逆压梯度，从而实现超声速混压式进气道瞬时启动。采用的三电极等离子体合成射流激励器既可以形成速度高达每秒百米以上的高能射流以及较强的前驱激波，可以兼具对受控流场动量/能量注入的涡控效果和前驱激波产生的波控效果，控制能力强。
在其中一个实施例中，压力检测模块包括多个压力传感器，多个压力传感器贴附于进气道肩部壁面上；多个压力传感器的输出端与智能控制器的输入端连接。
压力传感器用于对进气道肩部表面压力进行准确测量，并获取当前进气道的启动状态、分离区位置以及激波/边界层干扰的程度。
在其中一个实施例中，智能控制器，还用于根据压力信号，对进气道的启动状态、分离区位置以及激波/边界层干扰的程度进行实时辨识，并以最小控制能量为目标，实现进气道启动为约束，利用得到的辨识结果对阵列式三电极等离子体合成射流激励器的控制信号进行优化分配，实现进气道以最小能量瞬时启动。
在其中一个实施例中，阵列式三电极等离子体合成射流激励器的出口与进气道壁面垂直，出口截面形状为圆形、椭圆形、三角形、矩形、环形或者其它任意形状。等离子体合成射流激励器出口截面形状示意图如图2所示，
在应用中，可根据进气道实际情况，选择不同的出口构型，使射流具有不同的三维特征，以实现对进气道的最佳控制。
在其中一个实施例中，阵列式三电极等离子体合成射流激励器布置在第二压缩面处。阵列式三电极等离子体合成射流激励器沿进气道流向的布置位置以及行数，可根据不同应用工况，选取最优的组合。
在其中一个实施例中，阵列式三电极等离子体合成射流激励器沿流向平行分布。在应用中，可根据实际需要选取最优的流向、展向布置间距及数量。阵列式三电极等离子体合成射流激励器展向、流向布置示意图如图3所示。
在其中一个实施例中，阵列式三电极等离子体合成射流激励器沿进气道展向可以布置任意多个。实际应用中，可根据不同工况，选取最优的展向布置间距及个数。
在其中一个实施例中，的阵列式三电极等离子体合成射流激励器出口喉道形状为收缩形式、扩张形式或收缩-扩张形式。在应用中，可根据进气道实际情况，选择不同的出口喉道类型，使射流具有不同的控制能力，实现对进气道状态的最佳调控。等离子体合成射流激励器出口喉道形状示意图如图4所示。
在其中一个实施例中，的阵列式三电极等离子体合成射流激励器是零质量射流激励器，在工作过程中不用抽吸进气道流体，不会产生进气道流量损失。
在其中一个实施例中，的阵列式三电极等离子体合成射流激励器仅需要通过单次放电便可实现进气道启动，单个激励器消耗能量小于20J，耗能极小且不需要持续工作，控制周期为毫秒量级。
进一步结合该装置对超声速混压式进气道的控制效果对本发明进行说明。采用数值方法对该发明的控制效果进行了仿真，仿真效果如图5所示，其中图5的(a)为控制前未启动状态，图5的(b)为控制后3.625ms启动状态，其清楚地显示了该方法仅用了3.625ms便实现了超声速进气道由不启动状态向启动状态的转变。
本装置采用的三电极等离子体合成射流激励器既可以形成速度高达每秒百米以上的高能射流，又能够产生较强的前驱激波，可以兼具对受控流场动量/能量注入的涡控效果和前驱激波产生的波控效果，控制能力强；单个激励器质量轻(<50g),体积小(<2e-4m3)，无需任何气源管路；激励器结构简单，方便进行一体化设计，一体化设计后，在外压缩段无任何凸起物，不会引起任何形状阻力以及热防护困难；不用抽吸进气道流体，故不会产生进气道流量损失；利用进气道的迟滞效应，仅需要单次放电便可实现进气道启动，单个激励器消耗能量小于20J，耗能极小且不需要持续工作，控制周期为毫秒量级；智能控制器可针对阵列式三电极等离子体合成射流激励器的控制信号进行最佳分配，最大程度地减小了能量消耗；阵列式三电极等离子体合成射流激励器的出口构型及流向、展向布置可根据实际工况进行自适应调整，拓宽了工程应用范围。该方法在超声速进气道流动控制领域具有重要应用价值。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于等离子体合成射流的超声速混压式进气道启动装置，其特征在于，所述装置包括：
压力检测模块，布置在进气道肩部，用于监测进气道肩部表面压力分布，得到压力信号；
智能控制器，包括微处理器，所述智能控制器用于接收并处理所述压力信号，并以控制能量最小为约束，产生控制信号；
电源控制系统，用于接收所述控制信号，在阵列式三电极等离子体合成射流激励器的三电极之间产生与所述控制信号对应的高压脉冲信号；
阵列式三电极等离子体合成射流激励器，包括若干个轻质量射流激励器，若干个所述轻质量射流激励器之间相互并联，并与所述电源控制系统的控制线相连；所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器用于在所述高压脉冲信号的驱动下，快速电离电极之间的气体，使得阵列式三电极等离子体合成射流激励器腔体内的气体迅速升温增压，在出口处形成速度高达每秒百米以上的高能射流以及较强的前驱激波，迅速推离拐角处的激波，使溢流窗溢流量变大，并泄除分离区逆压梯度，从而实现超声速混压式进气道瞬时启动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力检测模块包括多个压力传感器，多个所述压力传感器贴附于进气道肩部壁面上；多个所述压力传感器的输出端与所述智能控制器的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，智能控制器，还用于根据所述压力信号，对进气道的启动状态、分离区位置以及激波/边界层干扰的程度进行实时辨识，并以最小控制能量为目标，利用得到的辨识结果对所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器的控制信号进行优化分配，实现进气道以最小能量瞬时启动。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器的出口与进气道壁面垂直，出口截面形状为圆形、椭圆形、三角形、矩形、环形或者其它任意形状。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器布置在第二压缩面处。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器沿流向平行分布。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器依据实际需求沿进气道展向布置任意多个。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器出口喉道形状为收缩形式、扩张形式或收缩-扩张形式。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器是零质量射流激励器，在工作过程中不用抽吸进气道流体，不会产生进气道流量损失。
10.如权利要求1-9中任一所述的装置，其特征在于，所述阵列式三电极等离子体合成射流激励器仅需要通过单次放电便可实现进气道启动，单个激励器消耗能量小于20J，耗能极小且不需要持续工作，控制周期为毫秒量级。
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